奇特的电子液体：将有助于太赫兹器件开发！

导读

近日，美国加州大学河滨分校的物理学家们通过强大的激光脉冲轰击超薄的半导体“三明治”，创造出了首个室温条件下的“电子液体”。

背景

太赫兹波，是指频率范围在 100GHz 到 10THz 之间，波长介于微波和红外线之间的电磁波，对于人眼来说是不可见的。

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（图片来源：维基百科）

虽然微波与红外线的应用都已非常成熟，但是太赫兹波却是人类迄今为止了解最少、开发最少的一个波段，因此也被称为“太赫兹空白”。

然而，这一空白却蕴藏着巨大潜力。太赫兹波具有穿透性强、安全性高、定向性好、带宽高、时间与空间分辨率高等技术优势。因此，太赫兹技术可应用于成像、存储、通信、雷达、电子对抗、电磁武器、天文学、医学、安全检测、无损检测等多个领域。

太赫兹安检成像示意图（图片来源于网络）

用太赫兹技术对一本合上的书中的书页内容进行成像（图片来源：Barmak Heshmat）

太赫兹通信系统（图片来源：荷兰内梅亨大学）

用太赫兹频段电磁脉冲切换计算机存储单元的存储状态（图片来源：莫斯科物理技术学院）

然而，目前影响太赫兹技术发展的主要原因就是：缺少稳定有效的太赫兹发射源与探测器。

创新

今天，笔者要为大家介绍一项新成果，它将为首个高效实用的太赫兹波生成与检测设备的开发开辟道路。

近日，美国加州大学河滨分校的物理学家们通过强大的激光脉冲轰击超薄的半导体“三明治”，创造出了首个室温条件下的“电子液体”。这项研究有望带来应用于外太空通信、癌症检测、安全检测等领域的太赫兹设备。

在超薄材料组成的器件中，电子与空穴凝结成类似于液态水的液滴。（图片来源：加州大学河滨分校）

2月4日，加州大学河滨分校的物理学家们将他们的成果在线发表在《自然光子学》期刊上。加州大学河滨分校物理系副教授、量子材料光电子学实验室主任 Nathaniel Gabor 是科研团队的领头人。论文的其他合著者还包括实验室成员 Trevor Arp 与 Dennis Pleskot，以及物理与天文学副教授 Vivek Aji。

技术

在他们的实验中，科学家们构造出一个超薄三明治结构，一层二碲化钼半导体位于两层石墨烯之间。这种分层结构只比单个DNA分子的宽度稍微厚一点。然后，他们用超高速激光脉冲（以一千万亿分之一秒来度量）轰击这种材料。

（图片来源：加州大学河滨分校）

Gabor 表示：“通常来说，通过诸如硅之类的半导体，激光激发创造出在材料中到处传播的电子以及空穴（它有着与电子相反的电荷），气体就是这么定义的。”然而，在他们的实验中，研究人员们检测到了相当于液体的凝聚迹象。这种液体具有类似普通液体（例如水）的特性，只不过它不是由分子组成，而是由半导体中的空穴和电子组成。

Gabor 表示：“我们将能量注入系统，但是却什么也没看到，然后突然，我们发现材料中形成了我们所说的‘反常光电流环’。我们意识到，这是一种液体，因为它像水滴一样生长，而不是表现得像气体那样。”

他说：“然而，真正让我们惊讶的却是，它在室温下产生了。之前，研究人员们创造出了这种电子-空穴液体，但却只能是在比外太空更低的温度条件下。”

Gabor 表示，这种液滴的电子特性，将有利于以前所未有的效率工作在太赫兹频谱区域的光电子器件的开发。

在更进一步地研究电子-空穴“纳米水坑”之后，科学家们将探索它们的液体特性，例如表面张力。

Gabor 表示：“目前，我们还不知道这种液体有多少液体特性，所以找出这些液体特性很重要。”

Gabor 也计划采用这项技术拓展基础物理现象。例如，冷却“电子-空穴”液体至超低温度，将使其转变为一种具有奇特物理性质的“量子流体”，从而可以揭示出物质的新基本原理。

在他们的实验中，研究人员采用了两个关键技术。为了构造这种二碲化钼与石墨烯组成的超薄三明治结构，他们采用了一种称为“弹性冲压”的技术。该方法采用了一种粘性聚合物，来捡起并堆叠原子厚度的石墨烯层与半导体层。

此外，为了将能量泵入半导体三明治中并对效果进行成像，他们采用了由 Gabor 与 Arp 开发的“多参数动态光响应显微镜”。在这项技术中，超高速激光脉冲光束，被操控用于扫描样本，对产生的电流进行光学映射。

一种新型显微镜被开发出来用于首次观测室温条件下的液滴。（图片来源：加州大学河滨分校）

价值

这项研究不仅使得在极其微小的尺度上探索物质基本物理学变得可能，而且有助于进入一个量子材料（其结构是在原子尺度上设计）的新时代。

Gabor 表示，太赫兹发射器与接收器也可以用于外太空中更高速的通信系统。此外，这种“电子-空穴”液体有望成为量子计算机的基础，它有望变得比如今使用的硅基电路小很多。

Gabor 表示，一般来说，他的实验室所使用的这项技术将成为设计原子尺寸的“量子材料”的基础，让精准操控电子使其产生各种新表现变得可能。

关键字

激光、太赫兹、半导体、石墨烯、量子

参考资料

【1】https://news.ucr.edu/articles/2019/02/04/uc-riverside-physicists-create-exotic-electron-liquid

【2】Trevor B. Arp, Dennis Pleskot, Vivek Aji, Nathaniel M. Gabor. Electron–hole liquid in a van der Waals heterostructure photocell at room temperature. Nature Photonics, 2019; DOI: 10.1038/S41566-019-0349-Y